混凝土是地球上仅次于水的第二大消耗资源,其全球产量每年超过160亿公吨。减少这种材料碳足迹的一个方法是:确保它不会破裂。

通过在普通水泥中引入纳米粒子,由土木与环境工程教授Ange-Therese Akono领导的西北大学实验室形成了一种更耐用、多功能的建筑材料。

西北大学研究小组的研究发表在本月的《科学》杂志上英国皇家学会哲学汇刊

该研究的主要作者Akono研究了颗粒对断裂行为的影响。

Akono用一种叫做“划痕测试”的创新分析方法研究了两种类型的纳米颗粒,以及它们对水泥强度的影响。石墨烯纳米片——既有张开的薄片,也有卷起的管状——由于其更大的表面积和厚度,显示出较高的断裂韧性。

“在此之前,人们还不了解纳米颗粒在这一应用中的作用,所以这是一个重大突破,”Akono在最近的新闻发布会上说.“作为一名经过培训的断裂力学专家,我想了解如何改变水泥产量来提高裂缝响应。”

Akono的实验室在很短的时间内有效地形成了对材料属性的预测。划痕测试是通过对微观水泥块表面施加一个增大垂直力的锥形探针来测量裂缝响应。然后用非线性断裂力学模型计算断裂韧性。

Akono在她的博士工作期间开发了这种新方法,她说这个过程需要更少的材料,并加速了新材料的发现。

“我可以同时看很多不同的材料,”Akono说.“我的方法直接应用于微米和纳米尺度,节省了相当多的时间。然后在此基础上,我们可以了解材料的行为,它们是如何开裂的,并最终预测它们的抗断裂能力。”

石墨烯纳米片可以提高普通水泥的抗断裂性能。少量纳米材料的加入改善了水输运性能,包括孔隙结构和水渗透阻力,报道的相对降低分别为76%和78%。

通过划痕测试,纳米材料桥接了纳米尺度的空隙,导致孔隙细化,降低了材料的孔隙率和吸水率。研究发现,石墨烯增强水泥的断裂韧性与纳米填料的质量分数呈正相关。

了解更多关于石墨烯增强水泥的信息。读报告

在简短的问答中yabovip16.com下面,Akono教授解释了是什么让这种水泥在人口增长的情况下如此重要。

yabovip16.com是什么让水泥“智能”?“可以这么说?”

教授Ange-Therese Akono由于其广泛的多功能,水泥是智能的。一些潜在的应用包括结构健康监测、电磁干扰和便携式电池。这些应用之所以成为可能,是因为其具有广泛的独特性能,如导电性、导磁性、压电性、高阻水渗透性、高机械性能和低碳足迹。

yabovip16.com关于“纳米颗粒”,您能提供一些具体的细节吗?这些纳米颗粒有什么特别之处,是什么启发你加入它们并采用这种方法?

教授Ange-Therese Akono纳米粒子是碳基纳米材料,如石墨烯纳米片或碳纳米纤维。这些纳米颗粒的独特之处在于它们的高强度和纳米级结构。

基本上,这个想法是向自然学习。像骨头这样的天然材料本质上是多功能的、强壮的、坚韧的,这要归功于复杂的建筑结构,它整合了几个层次的结构层次以及有机-无机混合成分。在这种情况下,我们选择纳米颗粒来复制这种多尺度结构和有机-无机成分,从而获得先进的水泥。

yabovip16.com:另一种方法,新闻发布会上说是增加了碳的数量。你能告诉我更多关于这个过程,它是如何工作的,为什么你的方法是一个更好的选择?

教授Ange-Therese Akono实现更高性能的传统方法是增加水泥的体积,例如,以承受更高的负荷。这种方法反过来又会导致厚截面的庞大结构和高碳足迹。另一个问题是当前水泥对裂缝的高敏感性、高孔隙率和低抗水渗透性,这些限制因素在结构的使用寿命中增加了维护成本。

相比之下,我们利用纳米科学和纳米技术,在纳米尺度下产生了一种新的水泥结构设计,它更加致密,具有更高的抗水渗透性和更高的力学性能。关键是利用纳米颗粒和先进的加工技术改变水泥基本构件的分布。因此,我们直接在基本尺度、纳米尺度及以下对水泥进行加固,从而大大提高结构层面的性能。

yabovip16.com在这种材料开始在城市中使用之前需要做些什么?

教授Ange-Therese Akono目前,我们正在研究新型纳米水泥的长期性能和耐久性。然后,我们将继续在结构层面进行进一步的测试,重点将是扩大我们的新制造工艺,并利用我们的材料的多功能。

yabovip16.com技术简介:为什么这种材料如此珍贵?

教授Ange-Therese Akono:我们的材料是有价值的,因为它提供了先进的建筑材料解决方案,促进城市扩张,同时减缓气候变化。世界人口呈指数增长,主要集中在城市。这种快速的城市化需要先进的建筑材料来满足人口增长的需要,同时又不会使现有的城市基础设施和建筑资源紧张。

另一个挑战是通过减少碳足迹来减缓气候变化。目前,水泥工业排放的人为温室气体占总排放量的8%。我们通过高性能、低碳足迹和高多功能的新型材料来应对这两项挑战,以促进先进的传感和连接。

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